KR20170113207A - 배기 가스 후처리 시스템 및 내연 기관 - Google Patents

배기 가스 후처리 시스템 및 내연 기관 Download PDF

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플라멘 토쉐프
프란시스 나나
안드레아스 되링
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만 디젤 앤 터보 에스이
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Abstract

내연 기관의 배기 가스 후처리 시스템(3), 즉 SCR 배기 가스 후처리 시스템으로서, SCR 촉매 변환기(9); SCR 촉매 변환기(9)로 연결되는 배기 가스 공급 라인(8); SCR 촉매 변환기(9)로부터 멀리로 연장되는 배기 가스 배출 라인(11); 환원제, 특히 암모니아 또는 암모니아 전구체 물질을 배기 가스 내로 도입하기 위해 배기 가스 공급 라인(8)에 할당되는 도입 디바이스(16); SCR 촉매 변환기(9)의 상류에서 배기 가스를 환원제와 혼합하기 위해 도입 디바이스(16)의 하류에 배기 가스 공급 라인(8)에 의해 마련되는 혼합 섹션(18)을 포함하며, 배기 가스 공급 라인(8) 및/또는 SCR 촉매 변환기(9)를 수용하는 반응기 챔버(10) 및/또는 배기 가스 배출 라인(11)이 적어도 이중벽으로 형성되는 것인 배기 가스 후처리 시스템이 개시된다.

Description

배기 가스 후처리 시스템 및 내연 기관{EXHAUST GAS AFTER-TREATMENT SYSTEM AND INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 배기 가스 후처리 시스템 및 내연 기관에 관한 것이다. 본 발명은, 또한, 배기 가스 후처리 시스템을 갖춘 내연 기관에 관한 것이다.
예컨대 발전소에서 채용되는, 고정식 내연 기관에서의 연소 프로세스에 있어서, 그리고 예컨대 선박에서 채용되는, 비고정식 내연 기관에서의 연소 프로세스에 있어서, 질소 산화물이 생성되는데, 이러한 질소 산화물은 보통 석탄, 피트 코울(pit coal), 원유, 중유, 또는 디젤 연료와 같은 황 함유 화석 연료의 연소 중에 생성된다. 이러한 이유로, 전술한 내연 기관에는 배기 가스 후처리 시스템이 할당되며, 이러한 배기 가스 후처리 시스템은, 내연 기관을 빠져나오는 배기 가스의 세정, 특히 탈질작용(denitrification)을 위한 역할을 한다.
배기 가스 내의 질소 산화물을 환원시키기 위해, 실시로부터 알려져 있는 배기 가스 후처리 시스템에서는 주로 소위 SCR 촉매 변환기가 채용된다. SCR 촉매 변환기에서는, 질소 산화물의 선택적 촉매 환원이 이루어지는데, 질소 산화물의 환원을 위해 환원제로서 암모니아(NH3)가 요구된다. 암모니아 또는 암모니아 전구체 물질, 예컨대 요소가 이러한 목적으로 배기 가스 내에 액체 형태로 SCR 촉매 변환기의 상류에서 도입되는데, 암모니아 또는 암모니아 전구체 물질은 SCR 촉매 변환기의 상류에서 배기 가스와 혼합된다. 이를 위해, 암모니아 또는 암모니아 전구체 물질의 도입부와 SCR 촉매 변환기 사이의 혼합 섹션이 실시에 따라 마련된다.
SCR 촉매 변환기를 포함하는, 실시로부터 알려진 배기 가스 후처리 시스템을 이용하여, 배기 가스 후처리, 특히 질소 산화물 환원이 이미 성공적으로 이루어질 수 있지만, 이러한 배기 가스 후처리 시스템을 더욱 개선하려는 요구가 존재한다. 특히, 효과적인 배기 가스 후처리 및 컴팩트한 구성을 갖춘 전술한 배기 가스 후처리 시스템을 포함하는 내연 기관의 효과적인 작동을 가능하게 하려는 요구가 존재한다.
이로부터 시작하여, 본 발명의 목적은, 내연 기관의 새로운 유형의 배기 가스 후처리 시스템 및 이러한 배기 가스 후처리 시스템을 갖춘 내연 기관을 형성하는 것에 기초한다.
이러한 목적은 청구항 1에 따른 내연 기관의 배기 가스 후처리 시스템을 통해 달성된다. 본 발명에 따르면, 배기 가스 공급 라인 및/또는 SCR 촉매 변환기를 수용하는 반응기 챔버 및/또는 배기 가스 배출 라인은 적어도 이중벽으로 구성된다. 이 때문에, 온도 싱크(temperature sink)의 관점에서 배기 가스 공급 라인 및/또는 반응기 챔버 및/또는 배기 가스 배출 라인에 의해, 배기 가스의 열 에너지가 지나치게 많이 흡수되는 것이 방지될 수 있다. 상기 열 에너지는 배기 가스에 남아있게 된다. 이는, 효과적인 배기 가스 후처리 및 배기 가스 후처리 시스템을 포함하는 내연 기관의 효과적인 작동을 제공함에 있어서 유리하다.
유리한 추가적인 개량에 따르면, 배기 가스 공급 라인의 제1 벽 및/또는 반응기 챔버의 제1 벽 및/또는 배기 가스 배출 라인의 제1 벽은, 각각의 벽이 각각의 압력에 견디도록 하는 방식으로, 배기 가스 공급 라인 및/또는 반응기 챔버 및/또는 배기 가스 배출 라인에 존재하는 압력에 대해 설계되는 두께를 갖는다. 배기 가스 흐름에 대면하는 각각의 제1 벽의 면 상에는, 바람직하게는 공기 간격을 형성하는 제2 벽이 위치하게 되며, 제2 벽의 두께는 각각의 제1 벽의 두께보다 얇다. 각각의 제1 벽의, 배기 가스 흐름으로부터 반대로 향하는 면 상에는, 추가로 바람직하게는 제3 벽이 위치하게 되며, 제3 벽의 두께는 각각의 제1 벽의 두께보다 두껍다. 효과적인 배기 가스 후처리 및 배기 가스 후처리 시스템을 포함하는 내연 기관의 효과적인 작동이 보장될 수 있다.
유리한 추가적인 개량에 따르면, 각각의 제1 벽의 열 용량 및 질량의 곱은 각각의 제2 벽의 대응하는 곱보다 크다. 또한, 각각의 제1 벽의 열 용량 및 질량의 곱은 바람직하게는 각각의 제3 벽의 대응하는 곱보다 작다. 이는, 효과적인 배기 가스 후처리 및 배기 가스 후처리 시스템을 포함하는 내연 기관의 효과적인 작동을 보장함에 있어서 유리하다.
더욱 유리한 또 다른 개량에 따르면, 각각의 제1 벽의 두께와 각각의 제2 벽의 두께 사이의 비율은 적어도 10:3, 바람직하게는 적어도 10:2, 특히 바람직하게는 적어도 10:1에 해당한다. 이는, 효과적인 배기 가스 후처리 및 배기 가스 후처리 시스템을 포함하는 내연 기관의 효과적인 작동을 보장함에 있어서 유리하다.
더욱 유리한 또 다른 개량에 따르면, 각각의 제1 벽의 두께와 각각의 제3 벽의 두께 사이의 비율은 적어도 1:5, 바람직하게는 적어도 1:7, 특히 바람직하게는 적어도 1:10에 해당한다. 이는, 효과적인 배기 가스 후처리 및 배기 가스 후처리 시스템을 포함하는 내연 기관의 효과적인 작동을 보장함에 있어서 유리하다.
더욱 유리한 또 다른 개량에 따르면, 제1 벽과 제2 벽 사이의 공기 간격의 두께 및/또는 제1 벽과 제3 벽 사이의 공기 간격의 두께는 적어도 2 mm, 바람직하게는 적어도 4 mm, 특히 바람직하게는 적어도 6 mm에 해당한다. 이는, 효과적인 배기 가스 후처리 및 배기 가스 후처리 시스템을 포함하는 내연 기관의 효과적인 작동을 보장함에 있어서 유리하다.
본 발명에 따른 내연 기관은 청구항 15에서 한정된다.
특히 바람직하게는, 상기 내연 기관은, 고압 터빈을 포함하는 제1 배기 가스 터보과급기 및 저압 터빈을 포함하는 제2 배기 가스 터보과급기를 갖춘 다단 배기 가스 과급 시스템을 포함하는데, 상기 배기 가스 후처리 시스템은 고압 터빈과 저압 터빈 사이에 연결된다.
본 발명의 바람직한 추가 개량은 종속 청구범위 및 이하의 설명으로부터 얻어진다. 본 발명의 예시적인 실시예는, 도면을 이용하되 이로써 한정되지 않으면서, 더욱 상세하게 설명된다.
도 1은 본 발명에 따른 배기 가스 후처리 시스템을 갖춘 내연 기관의 개략적인 사시도이다.
도 2는 도 1의 배기 가스 후처리 시스템의 상세도이다.
도 3은 도 2의 Ⅲ에 대한 상세도이다.
도 4는 Ⅲ에 대한 상세도에 관한 대안으로서, 도 2의 Ⅳ에 대한 상세도이다.
본 발명은 내연기관, 예컨대 발전소에 채용되는 고정식 내연기관 또는 선박에 채용되는 비고정식 내연기관의 배기 가스 후처리 시스템에 관한 것이다. 구체적으로, 상기 배기 가스 후처리 시스템은 중유로 작동되는 선박의 디젤 엔진에 채용된다.
도 1은 배기 가스 터보과급기 시스템(2) 및 배기 가스 후처리 시스템(3)을 갖춘 내연 기관(1)으로 이루어지는 장치를 도시한 것이다. 내연 기관(1)은 비고정식 내연 기관일 수도 있고 고정식 내연 기관일 수도 있으며, 특히 선박의 비고정 작동식 내연 기관일 수 있다. 내연 기관(1)의 실린더를 빠져나오는 배기 가스는, 내연 기관(1)에 공급될 과급 공기를 압축하기 위해 배기 가스의 열 에너지로부터 기계적 에너지를 추출하려는 목적으로 배기 가스 과급 시스템(2)에서 사용된다.
이에 따라, 도 1은 배기 가스 터보과급 시스템(2)을 갖춘 내연 기관(1)을 도시한 것이며, 여기서 배기 가스 터보과급 시스템은 복수 개의 배기 가스 터보과급기, 즉 고압측의 제1 배기 가스 터보과급기(4) 및 저압측의 제2 배기 가스 터보과급기(5)를 포함한다. 내연 기관(1)의 실린더를 빠져나오는 배기 가스는 초기에 제1 배기 가스 터보과급기(1)의 고압 터빈(6)을 통해 유동하며, 상기 고압 터빈 내에서 팽창하고, 이 과정에서 추출된 에너지는 과급 공기를 압축하기 위해 제1 배기 가스 터보과급기(4)의 고압 압축기에서 이용된다. 배기 가스의 흐름 방향으로 볼 때, 제1 터보과급기(4)의 하류에 제2 배기 가스 터보과급기(5)가 배치되며, 이미 제1 배기 가스 터보과급기(4)의 고압 터빈(6)을 통해 유동해 온 배기 가스는 상기 제2 배기 가스 터보과급기를 통해 안내되고, 즉 제2 배기 가스 터보과급기(5)의 저압 터빈(7)을 통해 안내된다. 제2 배기 가스 터보과급기(5)의 저압 터빈(7) 내에서, 배기 가스는 더 팽창하게 되며, 이 과정에서 추출되는 에너지는, 마찬가지로 내연 기관(1)의 실리더에 공급될 과급 공기를 압축하기 위해 제2 배기 가스 터보과급기(5)의 저압 압축기에서 이용된다.
2개의 배기 가스 터보과급기(4, 5)를 포함하는 배기 가스 과급 시스템(2)에 추가하여, 내연 기관(1)은 배기 가스 후처리 시스템(3)을 포함하는데, 이 배기 가스 후처리 시스템은 SCR 배기 가스 후처리 시스템이다. SCR 배기 가스 후처리 시스템(3)은 제1 압축기(5)의 고압 터빈(6)과 제2 배기 가스 터보과급기(5)의 저압 터빈(7) 사이에 연결되며, 이에 따라 제1 배기 가스 터보 과급기(4)의 고압 터빈(6)을 빠져나오는 배기 가스는, 제2 배기 가스 터보과급기(5)의 저압 터빈(7)의 영역에 도달하기 이전에, 초기에 SCR 배기 가스 후처리 시스템(3)을 통해 안내될 수 있다.
도 1은 배기 가스 공급 라인(8)을 도시한 것이며, 이 배기 가스 공급 라인을 통해, 제1 배기 가스 터보과급기(4)의 고압 터빈(6)으로부터 나오는 배기 가스는 반응기 챔버(10) 내에 배치되는 SCR 촉매 변환기(9)의 방향으로 안내될 수 있다.
또한, 도 1은, 배기 가스 배출 라인(11)을 도시하고 있으며, 이 배기 가스 배출 라인은 SCR 촉매 변환기(9)로부터 제2 배기 가스 터보과급기(5)의 저압 터빈(7)의 방향으로 배기 가스를 배출하는 역할을 한다.
저압 터빈(7)으로부터 나와, 배기 가스는 라인(21)을 통해, 특히 개구 내로 유동한다.
반응기 챔버(10)로 연결되며 이에 따라 반응기 챔버(10) 내에 위치하는 SCR 촉매 변환기로 연결되는 배기 가스 공급 라인(8), 그리고 반응기 챔버(10)로부터 멀리로 연장되며 이에 따라 SCR 촉매 변환기(9)로부터 멀리로 연장되는 배기 가스 배출 라인(11)은 바이패스(bypass; 12)를 통해 결합되며, 상기 바이패스에는 차단 요소(13)가 통합된다. 차단 요소(13)가 폐쇄되어 있을 때, 바이패스(12)는 폐쇄되어 어떠한 배기 가스도 바이패스를 통해 유동할 수 없게 된다. 반대로, 특히 차단 요소(13)가 개방되어 있을 때, 배기 가스는 바이패스(12)를 통해 유동할 수 있으며, 즉 반응기 챔버(10)를 거치지 않으면서, 그리고 이에 따라 반응기 챔버(10) 내에 위치하게 되는 SCR 촉매 변환기(9)를 거치지 않으면서 유동할 수 있다.
도 2는, 차단 요소(13)에 의해 바이패스(12)가 폐쇄되어 있을 때 배기 가스 후처리 시스템(3)을 통한 배기 가스의 유동을 화살표(14)로 예시한 것이며, 여기서 배기 가스 공급 라인(8)이 하류 단부(15)를 이용하여 반응기 챔버(10) 내로 개방되는 것, 그리고 배기 가스 공급 라인(8)의 이 단부(15)의 영역에 있는 배기 가스는 대략 180 도만큼의 유동 편향을 겪게 된다는 것은 도 2로부터 명확하고, 유동 편향 이후의 배기 가스는 SCR 촉매 변환기(9)를 통해 안내된다.
배기 가스 후처리 시스템(3)의 배기 가스 공급 라인(8)에는 도입 디바이스(16)가 할당되며, 이 도입 디바이스를 통해 배기 가스 유동 내로 환원제가 도입될 수 있고, 특히 암모니아 또는 암모니아 전구체 물질이 도입될 수 있는데, 이러한 환원제는 정해진 방식으로 SCR 촉매 변환기(9)의 영역에 있는 배기 가스의 질소 산화물을 변환하기 위해 요구된다. 배기 가스 후처리 시스템(3)의 이러한 도입 디바이스(16)는 바람직하게는 분사 노즐이며, 이 분사 노즐을 통해 암모니아 또는 암모니아 전구체 물질이 배기 가스 공급 라인(8) 내의 배기 가스 유동 내로 분사된다. 도 2는 콘(cone; 17)을 이용하여, 배기 가스 공급 라인(8)의 영역 내의 배기 가스 내로의 환원제의 분사를 예시한 것이다. 배기 가스의 유동 방향에서 볼 때 도입 디바이스(16)의 하류에 있고 SCR 촉매 변환기(9)의 상류에 있는, 배기 가스 후처리 시스템(3)의 섹션은 혼합 섹션으로서 설명된다. 구체적으로, 배기 가스 공급 라인(8)은 도입 디바이스(16)의 하류에 혼합 섹션(18)을 제공하며, 이 혼합 섹션에 있어서 배기 가스는 SCR 촉매 변환기(9)의 상류에서 환원제와 혼합될 수 있다.
배기 가스 공급 라인(8)은 하류 단부(15)를 이용하여 반응기 챔버(10) 내로 개구된다. 배기 가스 공급 라인(8)의 이러한 하류 단부(15)에는 배플 요소(baffle element; 19)가 할당되며, 이 배플 요소는 배기 가스 공급 라인(8)의 하류 단부(15)에 대해 변위될 수 있다. 도시된 예시적인 실시예에 있어서, 배플 요소(19)는, 반응기 챔버(10) 내로 개구된 배기 가스 공급 라인(8)의 단부(15)에 대해 선형적으로 변위될 수 있다.
배플 요소(19)는, 하류 단부(15)에서 배기 가스 공급 라인(8)을 차단하거나 또는 하류 단부(15)에서 배기 가스 공급 라인을 개방하기 위해 배기 가스 공급 라인(8)의 하류 단부(15)에 대해 변위될 수 있다. 구체적으로, 배플 요소(19)가 하류 단부(15)에서 배기 가스 공급 라인(8)을 차단할 때, 바이패스(12)의 차단 요소(13)는, 바람직하게는 이제 SCR 촉매 변환기(9)를 수용하는 반응기 챔버(10) 또는 SCR 촉매 변환기(9)를 완전히 거치지 않도록 배기 가스를 안내하게 개방된다.
구체적으로, 배플 요소(9)가 배기 가스 공급 라인(8)의 하류 단부(15)를 개방시킬 때, 바이패스(12)의 차단 요소(13)는 완전하게 폐쇄될 수도 있고 적어도 부분적으로 개방될 수 있다. 구체적으로 배플 요소(19)가 배기 가스 공급 라인(8)의 하류 단부(15)를 개방시킬 때 배기 가스 공급 라인(8)의 하류 단부(15)에 대한 배플 요소(19)의 상대 위치는 구체적으로 배기 가스 공급 라인(8)을 통한 배기 가스 질량 유동에 따라 좌우되거나 및/또는 배기 가스 공급 라인(8) 내에서의 배기 가스의 배기 가스 온도에 따라 좌우되거나 및/또는 도입 디바이스(16)를 통해 배기 가스 유동 내로 도입되는 환원제의 양에 따라 좌우된다.
배기 가스 공급 라인(8)의 개방된 하류 단부(15)를 이용할 때, 배플 요소(19)의 추가적인 기능은, 배기 가스 유동에 존재하는 액체 환원제의 임의의 액적이 배플 요소(19)에 도달하게 하는 것이며, 여기서는 액체 환원제의 이러한 액적이 SCR 촉매 변환기(9)의 영역에 도달하는 것을 방지하기 위해 상기 액적은 갇히게 되거나 미립화된다. 개방된 하류 단부(15)를 갖춘 배기 가스 공급 라인(8)의 하류 단부(15)에 대한 배플 요소(19)의 위치에 의해, 또한 구체적으로 배플 요소(19)의 영역에 있는 배기 가스 공급 라인(8)의 하류 단부(15)의 영역에서 편향된 배기 가스가 반경 방향으로 외측에 위치하게 되는 SCR 촉매 변환기(9)의 섹션의 방향으로 보다 강력하게 또는 반경 방향으로 내측에 위치하게 되는 섹션의 방향으로 보다 강력하게 안내 또는 조종되는지 여부가 결정될 수 있다.
바람직한 실시예에 따르면, 하류 단부(15)의 영역에서 배기 가스 공급 라인(8)은 디퓨저를 형성하는 확장된 깔대기형이다. 이 때문에, 하류 단부(15)의 영역에서의 배기 가스 공급 라인(8)의 유동 단면은 확대되며, 구체적으로 도 2에 명확하게 되어 있는 바와 같이, 배기 가스의 유동 방향으로 볼 때 배기 가스 공급 라인(8)의 하류 단부(15)의 상류에서 배기 가스 공급 라인의 유동 단면이 초기에 감소하도록 마련될 수 있다. 이에 따라, 도 2는, 환원제에 대한 도입 디바이스(16)의 하류에서 배기 가스의 유동 방향으로 본 배기 가스 공급 라인(8)의 유동 단면이 초기에는 대략 일정하지만, 이후 우선 테이퍼지고 점차적으로 그리고 최종적으로 하류 단부(15)의 영역에서 확장되는 것을 도시하고 있다. 이러한 경우에 있어서 배기 가스 공급 라인(8)의 하류 단부(15)에서의 유동 단면의 확대는, 바람직하게는, 배기 가스 공급 라인(8)이 초기에 하류 단부(15)의 상류에서 테이퍼지게 하는 섹션보다는 배기 가스 공급 라인(8)의 더 짧은 섹션을 통해 구현된다.
배플 요소(19)는, 바람직하게는, 배기 가스를 위한 유동 안내부를 형성하는 배기 가스 공급 라인(8)에 대면하는 면(20) 상에서의 만곡된 종형부로서 만곡된다. 배플 요소(19)의 반경 방향 내측 섹션에서, 배기 가스 공급 라인(8)의 하류 단부(15)에 면하는 배플 요소(19)의 면(20)은, 배기 가스 공급 라인의 반경 방향 외측 섹션보다 배기 가스 공급 라인(8)의 하류 단부(15)에 대해 더 짧은 거리를 갖는다. 이에 따라, 배플 요소(19)는 배기 가스 공급 라인(8)의 하류 단부(15)의 방향으로 상기 면(20)의 중앙에서 배기 가스의 유동 방향에 대해 짧아지거나 또는 만곡된다.
특히 도 2로부터 명확한 바와 같이, 배기 가스 공급 라인(8) 및 배기 가스 배출 라인(11)은 반응기 챔버(10)의 공통 제1 면(22) 상에서 연결되거나, 혹은 상기 공통 제1 면(22)으로부터 시작하여 반응기 챔버(10) 내로 개방 또는 연장된다.
여기서, 배기 가스 공급 라인(8)은, 배기 가스 공급 라인(8)의 하류 단부(15)가 반응기 챔버(10)의 제1 면(22)에 대향하게 위치하는 반응기 챔버(10)의 제2 면(23)에 이웃하게 위치하게 되는 방식으로 반응기 챔버(10) 내로 연장되는 반면, 배기 가스 배출 라인(11)은 제1 면(22) 상에서 반응기 챔버(10) 내로 개방된다. 이에 따라, 배기 가스 공급 라인(8)을 통해 공급되는 배기 가스는 배기 가스 공급 라인(8)의 하류 단부(15)에 대향하게 위치하는 반응기 챔버(10)의 제2 면(23)의 영역에서 대략 180 도만큼 편향되며, 이후 SCR 촉매 변환기(9)를 통해 유동한 뒤 배기 가스 배출 라인(11)의 영역 내로 하위 면(22)을 통해 배기 가스 배출 라인을 따른다. 여기서, 도 2로부터, 반응기 챔버(10)의 면(22)에 이웃하는 배기 가스 배출 라인(11)이 외측으로, 바람직하게는 동심으로, 특정 섹션에서 배기 가스 공급 라인(8)을 둘러싼다는 것은 명확하다.
특히 효과적인 배기 가스 후처리 및 배기 가스 후처리 시스템(3)을 포함하는 내연 기관(1)의 특히 효과적인 작동을 가능하게 하기 위해, 배기 가스 공급 라인(8) 및/또는 SCR 촉매 변환기(9)를 수용하는 반응기 챔버(10) 및/또는 배기 가스 배출 라인(11)은 적어도 이중벽으로 형성된다. 이 때문에, 배기 가스의 열 에너지가 배기 가스에 잔류하는 것 그리고 상기 열 에너지가 반응기 챔버(10)의 벽에 대해 과도하게 발산되지 않는 것이 보장된다. 높은 배기 가스 온도는 한편으로 SCR 촉매 변환기(9)의 영역에서의 효과적인 배기 가스 후처리를 위해 그리고 다른 한편으로 배기 가스 후처리 디바이스(3)의 하류에 위치하는 배기 가스 터보과급기의 효과적인 작동을 위해 유리하다.
이에 따라, SCR 촉매 변환기(9)의 영역에서의 높은 배기 가스 온도는, 환원제의 바람직하지 않은 2차 반응, 특히 암모니아 황산염 및/또는 암모니아 중황산염의 형성을 방지함에 있어서 유리하다. 과도하게 낮은 배기 가스 온도에서 생성될 수 있는 이러한 바람직하지 않은 부산물은, 배기 가스 공급 라인(8), SCR 촉매 변환기(9) 및 배기 가스 배출 라인(11)을 파손시킬 수 있으며, 이에 따라 배기 가스 후처리의 유효성을 저하시킬 수 있다.
또한, 이미 설명한 바와 같이, 배기 가스 후처리 디바이스(3)의 하류에서의 높은 배기 가스 온도는, 유동 방향으로 볼 때 배기 가스 후처리 디바이스(3), 특히 배기 가스 후처리 디바이스의 저압 터빈의 하류에 위치하게 되는 배기 가스 터보과급기를 효과적으로 작동시키는 데 있어서 유리하다.
이미 설명한 바와 같이, 배기 가스 공급 라인(8) 및/또는 반응기 챔버(10) 및/또는 배기 가스 배출 라인(11)은 적어도 이중벽으로 설계되며, 마찬가지로 바이패스(12)도 적어도 이중벽으로 구현될 수 있다. 배기 가스 공급 라인(8)뿐만 아니라 반응기 챔버(10) 그리고 또한 배기 가스 배출 라인(11)이 각각 적어도 이중벽으로 구현되는 본 발명의 구성이 특히 바람직하다. 그러나, 또한, 이들 조립체들 중 단지 하나, 특히 반응기 챔버(10) 또는 이들 조립체들 중 적어도 2개, 특히 배기 가스 공급 라인(8) 및 반응기 챔버(10)가 적어도 이중벽으로 구현되는 것도 가능하다.
추가적인 세부사항은 도 3 및 도 4의 상세도 Ⅲ 및 상세도 Ⅳ를 참고하여 이하에서 설명되며, 도 3 및 도 4는 각각 배기 가스 공급 라인(8) 및/또는 반응기 챔버(10) 및/또는 배기 가스 배출 라인(11)의 대안적인 바람직한 실시예를 도시하며, 즉 도 3은 전술한 구성요소의 이중벽 실시예를 도시하고 도 4는 전술한 구성요소의 3중벽 실시예를 도시한다.
본 발명의 유리한 제1 구성에 따르면, 배기 가스 공급 라인(8)의 제1 벽(24) 및/또는 반응기 챔버(10)의 제1 벽(25) 및/또는 배기 가스 배출 라인(11)의 제1 벽(26)은, 각각의 벽(24 또는 25 또는 26)이 각각의 압력에 견디도록 하는 방식으로서, 배기 가스 공급 라인(8) 또는 반응기 챔버(10) 또는 배기 가스 배출 라인(11)에 존재하는 압력에 대해 설계되는 두께를 갖는 방식으로 구현되다. 이때, 각각의 압력은 최대 7 바아, 바람직하게는 적어도 2 바아이다.
배기 가스 흐름(도시되어 있지 않음)에 대면하는 각각의 제1 벽(24 또는 25 또는 26)의 일측에는, 바람직하게는 공기 간격(27 또는 28 또는 29)을 형성하는 제2 벽(30 또는 31 또는 32)이 위치하게 되며, 제2 벽의 두께는 각각의 제1 벽(24 또는 25 또는 26)의 두께보다 얇다. 각각의 제1 벽(24 또는 25 또는 26)의 두께는 도 3에서 d1로 표시되며, 각각의 제2 벽(30 또는 31 또는 32)의 두께는 d2로 표시되고, 여기서 각각의 제1 벽(24 또는 25 또는 26)과 각각의 제2 벽(30 또는 31 또는 32) 사이에 형성되는 공기 간격(27 또는 28 또는 29)의 치수는 l12로 표시된다.
본 발명의 추가적으로 유리한 또 다른 개량에 따르면, 각각의 제1 벽(24 또는 25 또는 26)의 두께와 각각의 제2 벽(30 또는 31 또는 32)의 두께 사이의 비율은 적어도 10:3, 바람직하게는 적어도 10:2, 특히 바람직하게는 적어도 10:1에 해당한다. 각각의 제1 벽(24 또는 25 또는 26)과 각각의 제2 벽(30 또는 31 또는 32) 사이의 공기 간격(l12)의 치수는 적어도 2 mm, 바람직하게는 적어도 4 mm, 특히 바람직하게는 적어도 6 mm에 해당한다. 이러한 경우에 있어서, 각각의 제1 벽(24 또는 25 또는 26)의 질량 및 열 용량의 곱은, 바람직하게는 각각의 제2 벽(30 또는 31 또는 32)의 질량 및 열 용량의 대응하는 곱보다 크다.
각각의 제1 벽(24 또는 25 또는 26) 및 각각의 제2 벽(30 또는 31 또는 32)은 양자 모두 금속 재료, 예컨대 강 등으로 생산될 수 있다. 각각의 제1 벽(24 또는 25 또는 26)은 금속 재료로 생산되고 각각의 제2 벽(30 또는 31 또는 32)은 세라믹 재료로 생산되는 구성이 바람직하다. 마찬가지로, 각각의 제1 벽(24, 25, 26) 및 각각의 제2 벽(30, 31, 32)이 각각 금속 제료로 생산되는 것이 가능하며, 여기서 배기 가스 유동에 대면하는 일측에서 각각의 제2 벽(30, 31, 32)은 바람직하게는 세라믹 코팅을 포함할 수 있다.
상세도 Ⅳ로서, 도 4는 도 3의 상세도 Ⅲ의 추가적인 개량을 도시하고 있으며, 도 4에서는, 추가적으로 제3 벽(33 또는 34 또는 35)이 존재하고, 이 제3 벽은 추가적인 공기 간격(36 또는 37 또는 38)을 형성하는, 배기 가스 가스 유동으로부터 반대로 향하는, 각각의 제1 벽(24 또는 25 또는 26)의 면 상에 위치하게 된다. 배기 가스 유동에 대면하는 각각의 제1 벽(24, 25, 26)의 면 상에 각각의 제2 벽(30, 31, 32)이 위치하게 되면, 배기 가스로부터 각각의 제1 벽(24 또는 25 또는 26)으로 가능한 최소한의 열 에너지가 전달되는 것이 보장될 수 있다. 배기 가스 유동으로부터 반대로 향하는, 각각의 제1 벽(24, 25, 26)의 면 상에 각각의 제3 벽(33, 34, 35)이 위치하게 되면, 환경으로 가능한 최소한의 열 에너지가 전달되는 것이 보장될 수 있다. 도 4에 있어서, 각각의 제3 벽(33 또는 34 또는 35)의 두께는 d3으로 표시되며, 각각의 제3 벽(33, 34, 35)과 각각의 제1 벽(24, 25, 26) 사이의 공기 간격(36, 37, 38)의 대응하는 치수는 l13으로 표시된다.
구체적으로, 각각의 제1 벽(24 또는 25 또는 26)의 두께와 각각의 제3 벽(33 또는 34 또는 35)의 두께 사이의 비율은 적어도 1:5, 바람직하게는 적어도 1:7, 특히 바람직하게는 적어도 1:10에 해당한다. 이때, 공기 간격(l13)의 치수는 바람직하게는 공기 간격(l12)의 치수에 대응하며, 특히 적어도 2 mm, 바람직하게는 적어도 4 mm, 특히 바람직하게는 적어도 6 mm이다. 이러한 경우에 있어서, 각각의 제1 벽(24 또는 25 또는 26)의 질량 및 열 용량의 곱은, 바람직하게는 각각의 제3 벽(33 또는 34 또는 35)의 질량 및 열 용량의 대응하는 곱보다 작다. 또한, 바람직하게는, 제2 벽과 제3 벽 사이의 열 전도도의 비율은 적어도 10:1, 바람직하게는 적어도 80:1, 가장 바람직하게는 적어도 150:1에 해당한다.
각각의 제1 벽(24, 25, 26)과 각각의 제3 벽(33, 34, 35) 사이의 공기 간격은 또한 생략될 수 있다. 이러한 경우에 있어서, 각각의 제3 벽(33 또는 34 또는 35)은 배기 가스 유동으로부터 반대로 향하는, 각각의 제1 벽(24, 25, 26)의 면 상에 직접 장착된다. 이러한 경우에, l13은 0 mm에 해당한다.
도 1의 내연 기관(1)의 경우에 있어서, 배기 가스 후처리 시스템(3)은 배기 가스 과급 시스템(2)의 상류에 직립 상태로 위치하게 된다. 내연 기관(1)의 실린더에 대한 접근부는 개방되지만, 터보과급기(4 및 5)의 접근 가능성은 제한된다. 그러나, 반응기 챔버(10)는, 배기 가스 터보과급기(4, 5)에 대한 유지보수 작업이 필요할 때에 간단하게 분해될 수 있다.
도 1에 도시된 배기 가스 과급 시스템(2)의 상류에 있어서 배기 가스 후처리 시스템(3)의 직립 배치와는 대조적으로, 배기 가스 과급 시스템(2) 바로 옆에 90 도만큼 기울어지게 배기 가스 후처리 시스템(3)을 수평으로 배치하는 것도 또한 가능하지만, 이러한 수평 배치 시에 장치의 길이는 증가하게 된다. 그러나, 내연 기관(1) 및 배기 가스 과급 시스템(2)은 이때 반응기 챔버(10)를 분해할 필요 없이 유지보수 작업을 제한하지 않는 상태에서 이용 가능하다.
본 발명에 따른 방법은 1단 과급 엔진 그리고 또한 2단 과급 엔진 양자 모두에 채용될 수 있다. 1단 과급 엔진의 경우에 있어서, 배기 가스 후처리 시스템의 배치는 바람직하게는 터빈의 상류에서 이루어지고, 2단 과급 엔진의 경우에는, 바람직하게는 2개의 터빈 사이에 배기 가스 후처리 시스템이 배치된다.
1 : 내연 기관 2 : 배기 가스 과급 시스템
3 : 배기 가스 후처리 시스템 4 : 배기 가스 터보과급기
5 : 배기 가스 터보과급기 6 : 고압 터빈
7 : 저압 터빈 8 : 배기 가스 공급 라인
9 : SCR 촉매 변환기 10 : 반응기 챔버
11 : 배기 가스 배출 라인 12 : 바이패스(bypass)
13 : 차단 요소 14 : 배기 가스 가이드
15 : 단부 16 : 도입 디바이스
17 : 인젝션 콘 18 : 혼합 섹션
19 : 배플 요소 21 : 라인
24 : 제1 벽 25 : 제1 벽
26 : 제1 벽 27 : 공기 간격
28 : 공기 간격 29 : 공기 간격
30 : 제2 벽 31 : 제2 벽
32 : 제2 벽 33 : 제3 벽
34 : 제3 벽 35 : 제3 벽
36 : 공기 간격 37 : 공기 간격
38 : 공기 간격

Claims (17)

  1. 내연 기관의 배기 가스 후처리 시스템(3), 즉 내연 기관의 SCR 배기 가스 후처리 시스템으로서, SCR 촉매 변환기(9); SCR 촉매 변환기(9)로 연결되는 배기 가스 공급 라인(8); SCR 촉매 변환기(9)로부터 멀리로 연장되는 배기 가스 배출 라인(11); 환원제, 특히 암모니아 또는 암모니아 전구체 물질을 배기 가스 내로 도입하기 위해 배기 가스 공급 라인(8)에 할당되는 도입 디바이스(16); SCR 촉매 변환기(9)의 상류에서 배기 가스를 환원제와 혼합하기 위해 도입 디바이스(16)의 하류에 배기 가스 공급 라인(8)에 의해 마련되는 혼합 섹션(18)을 포함하며, 배기 가스 공급 라인(8) 및/또는 SCR 촉매 변환기(9)를 수용하는 반응기 챔버(10) 및/또는 배기 가스 배출 라인(11)이 적어도 이중벽으로 형성되는 것을 특징으로 하는 배기 가스 후처리 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 배기 가스 공급 라인(8)의 제1 벽(24) 및/또는 반응기 챔버(10)의 제1 벽(25) 및/또는 배기 가스 배출 라인(11)의 제1 벽(26)은, 각각의 제1 벽이 각각의 압력에 견디도록 하는 방식으로 배기 가스 공급 라인(8) 및/또는 반응기 챔버(10) 및/또는 배기 가스 배출 라인(11)에 존재하는 압력에 대해 설계되는 두께를 가지며, 배기 가스 흐름에 대면하는 각각의 제1 벽(24, 25, 26)의 일측 상에 제2 벽(30, 31, 32)이 위치하게 되고, 제2 벽의 두께는 각각의 제1 벽(24, 25, 26)의 두께보다 얇은 것을 특징으로 하는 배기 가스 후처리 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 각각의 제1 벽(24, 25, 26)과 각각의 제2 벽(30, 31, 32) 사이에 공기 간격(27, 28, 29)이 형성되는 것을 특징으로 하는 배기 가스 후처리 시스템.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 각각의 제1 벽의 두께와 각각의 제2 벽의 두께 사이의 비율은 적어도 10:3에 해당하는 것을 특징으로 하는 배기 가스 후처리 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 각각의 제1 벽(24, 25, 26)의 두께와 각각의 제2 벽(30, 31, 32)의 두께 사이의 비율은 적어도 10:2에 해당하는 것을 특징으로 하는 배기 가스 후처리 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 각각의 제1 벽(24, 25, 26)의 두께와 각각의 제2 벽(30, 31, 32)의 두께 사이의 비율은 적어도 10:1에 해당하는 것을 특징으로 하는 배기 가스 후처리 시스템.
  7. 제2항 내지 제6항 중 어느 하나의 항에 있어서, 각각의 제1 벽(24, 25, 26)의 질량 및 열 용량의 곱은 각각의 제2 벽(30, 31, 32)의 대응하는 곱보다 큰 것을 특징으로 하는 배기 가스 후처리 시스템.
  8. 제2항 내지 제7항 중 어느 하나의 항에 있어서, 배기 가스 흐름으로부터 반대로 향하는, 각각의 제1 벽(24, 25, 26)의 일측 상에 제3 벽(33, 34, 35)이 위치하고, 제3 벽의 두께는 각각의 제1 벽(24, 25, 26)의 두께보다 두꺼운 것을 특징으로 하는 배기 가스 후처리 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 각각의 제1 벽(24, 25, 26)의 두께와 각각의 제3 벽(33, 34, 35)의 두께 사이의 비율은 적어도 1:5에 해당하는 것을 특징으로 하는 배기 가스 후처리 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 각각의 제1 벽(24, 25, 26)의 두께와 각각의 제3 벽(33, 34, 35)의 두께 사이의 비율은 적어도 1:7에 해당하는 것을 특징으로 하는 배기 가스 후처리 시스템.
  11. 제10항에 있어서, 각각의 제1 벽(24, 25, 26)의 두께와 각각의 제3 벽(33, 34, 35)의 두께 사이의 비율은 적어도 1:10에 해당하는 것을 특징으로 하는 배기 가스 후처리 시스템.
  12. 제8항 내지 제11항 중 어느 하나의 항에 있어서, 각각의 제1 벽(24, 25, 26)의 질량 및 열 용량의 곱은 각각의 제3 벽(33, 34, 35)의 대응하는 곱보다 작은 것을 특징으로 하는 배기 가스 후처리 시스템.
  13. 제3항 내지 제12항 중 어느 하나의 항에 있어서, 제1 벽(24, 25, 26)과 제2 벽(30, 31, 32) 사이의 공기 간격(27, 28, 29)의 두께 및/또는 제1 벽(24, 25, 26)과 제3 벽(33, 34, 35) 사이의 공기 간격(36, 37, 38)의 두께는 적어도 2 mm, 바람직하게는 적어도 4 mm, 특히 바람직하게는 적어도 6 mm에 해당하는 것을 특징으로 하는 배기 가스 후처리 시스템.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 하나의 항에 있어서, 제2 벽(30, 31, 32)과 제3 벽(33, 34, 35) 사이의 열 전도도의 비율은 적어도 10:1, 바람직하게는 적어도 80:1, 가장 바람직하게는 적어도 150:1에 해당하는 것을 특징으로 하는 배기 가스 후처리 시스템.
  15. 내연 기관(1), 특히 디젤 연료 또는 중유 연료로 작동되는 내연 기관으로서, 제1항 내지 제13항 중 어느 하나의 항에 따른 배기 가스 후처리 시스템(3)을 구비한 것인 내연 기관.
  16. 제15항에 있어서, 상기 내연 기관은, 고압 터빈(6)을 포함하는 제1 배기 가스 터보과급기(4) 및 저압 터빈(7)을 포함하는 제2 배기 가스 터보과급기(5)를 갖춘 다단 배기 가스 과급 시스템(2)을 포함하며, 상기 배기 가스 후처리 시스템(3)은 고압 터빈(6)과 저압 터빈(7) 사이에 연결되는 것을 특징으로 하는 내연 기관.
  17. 제15항 또는 제16항에 있어서, 상기 배기 가스 후처리 시스템(3)은 배기 가스 터빈의 상류에 장착되는 것을 특징으로 하는 내연 기관.
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